EP0299230B1 - Kathode für eine Hochdruckentladungslampe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a cathode for a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
- an electrode for high-pressure discharge lamps with gas or steam filling is known, which is made of a thorium dioxide-containing tungsten rod. Since these lamps are preferably used in devices with an optical beam path, the problems of arc disturbance and intensity fluctuation, associated with the premature destruction of the tip of the electrode serving as the cathode, occur more frequently than electrodes for electron tube construction. In recent years, increased demands have been placed on such lamps in this regard. Among other things this is due to the development of new areas of application.
- the invention has for its object to reduce the intensity fluctuations of the arc, to contain the uneven arc and to prevent premature destruction of the cathode tip.
- a region at the tip of the cathode can be particularly advantageously completely free of carbide.
- Such cathodes are used in short-arc lamps (high-pressure xenon lamps and high-pressure mercury lamps), which may have temperatures in the area of the cathode tip which exceed the melting temperature of tungsten carbide (2710 ° C.). If tungsten carbide were present in this area, this would lead to a partial melting of the tip. The result would be a difficult post-diffusion of thorium and an increase in the work function, combined with an increase in the uneven arch.
- GB-PS 929 668 and DE-OS 32 05 746 are generally concerned with electrodes for electron tube construction.
- These electrodes consist of a high-melting material, usually tungsten, which is doped with an electron-emitting material, usually Th0 2 .
- the proportion of Th0 2 can vary within wide limits (0.1-5% by weight) depending on the application.
- elemental emitter material is formed due to the high temperature, which migrates to the surface preferably by diffusion along the grain boundaries. This process is crucial for the quality of the electrode and can be influenced by various measures.
- the grain structure can also be changed by further doping (e.g. potassium, aluminum) so that the grain boundary diffusion is further facilitated.
- further doping e.g. potassium, aluminum
- FIG. 1 schematically shows a xenon short arc lamp 1 operated with direct current and having a low wattage (e.g. 150 W), which e.g. is used as a projection light source and in spectrophotometers and color reproduction devices.
- the elliptical discharge vessel 2 made of quartz glass is filled with xenon (operating pressure approx. 50 bar).
- the anode 3 and the cathode 4 are arranged axially in the discharge vessel at a distance of approximately 2 mm from one another.
- Each electrode has a shaft 5.
- the electrical supply takes place in a known manner via molybdenum foils 6, which are connected to the metal sleeve bases 7 via pins.
- the molybdenum foils 6 are sealed in a vacuum-tight manner in the two ends of the discharge vessel 2.
- another technique e.g. Rod melting or cup melting can be used.
- the anode 3 is made as a solid cylinder block from hammered tungsten and has a wide, slightly bevelled end face.
- the comparatively small cathode 4 is made of tungsten which is doped with 0.4% by weight Th0 2 . It is shown enlarged in FIG. 2 (but not to scale).
- the cylindrical base body 8 of the cathode 4 tapers in the manner of a cone 9, the tip 10 of which is truncated.
- the cone forms an opening angle a of 25 ° and has an overall length of approximately 4 mm.
- the cone 9 is surrounded by a layer 11 of tungsten carbide over two thirds of its length. The layer thickness is approximately 10 ⁇ m.
- the remaining third of the cone length is kept free of carbide.
- the minimum width of the free zone at the cathode tip is 0.7 mm. This minimum width is essentially determined by the temperature distribution at the cathode tip. This free zone ensures that the tip cannot melt due to the lower melting temperature of the tungsten carbide layer compared to tungsten.
- the carbide layer is produced by separating carbon from a carbon-containing gas, for example CH 4 (CVD process). To achieve a layer thickness of 10 ⁇ m, egg Maintain a gas flow of approx. 1 l / min over 10 minutes at 2100 ° C. The zone to be kept clear at the top of the cone is covered by depressions in the batch carrier. In this process, the cylindrical body is also partially covered with a carbide layer. However, this is meaningless for the essence of the invention.
- a carbon-containing gas for example CH 4 (CVD process
- lamps which were equipped with these cathodes were able to keep the luminance fluctuation caused by the uneven arc below 4% and the intensity drift occurring in continuous operation below 1% per hour. Premature failures due to melting of the tip were not observed.
- the entire cone is covered by a carbide layer, the thickness of the layer continuously decreasing from the base to the tip of the cone. This can be done by dipping, brushing, spraying or the like. achieve, with adequate measures (drainage, etching) ensuring sufficient thinning towards the tip.
- the shape of the cathode can be designed differently; e.g. can instead of a cone a hemisphere or similar be used.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Hochdruckentladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Aus der DE-PS 1 088 155 ist eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen mit Gas- oder Dampffüllung bekannt, die aus einem thoriumdioxidhaltigen Wolframstab gefertigt ist. Da diese Lampen vorzugsweise in Geräten mit optischem Strahlengang verwendet werden, treten im Vergleich zu Elektroden für den Elektronenröhrenbau verstärkt die Probleme der Bogenunruhe und der Intensitätsschwankung auf, verbunden mit der vorzeitigen Zerstörung der Spitze der als Kathode dienenden Elektrode. In den letzten Jahren werden in dieser Hinsicht erhöhte Anforderungen an derartige Lampen gestellt. U.a. ist dies auf die Erschließung neuer Anwendungsgebiete zurückzuführen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Intensitätsschwankungen des Lichtbogens zu mindem, die Bogenunruhe einzudämmen und eine vorzeitige Zerstörung der Kathodenspitze zu verhindern.
- Diese Aufgabe wird bei einer Kathode für Hochdruckentladungslampen durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
- Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer verbesserten Stabilität des Lichtbogens und in einer erhöhten Lebensdauer.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der abhängigen Ansprüche angegeben.
- Besonders vorteilhaft kann ein Bereich an der Spitze der Kathode völlig frei von Carbid sein. Solche Kathoden werden bei Kurzbogenlampen (Xenonhochdrucklampen und Quecksilberhochdrucklampen) verwendet, bei denen u.U. im Bereich der Kathodenspitze Temperaturen auftreten, die die Schmelztemperatur von Wolframcarbid (2710 °C) übersteigen. Wäre in diesem Bereich Wolframcarbid vorhanden, würde dies zu einem teilweisen Aufschmelzen der Spitze führen. Die Folge wäre eine erschwerte Nachdiffusion von Thorium und ein Ansteigen der Austrittsarbeit, verbunden mit einer Erhöhung der Bogenunruhe.
- Als Grundlage zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung wird auf die GB-PS 929 668 und die DE-OS 32 05 746 verwiesen, die sich allgemein mit Elektroden für den Elektronenröhrenbau beschäftigen. Diese Elektroden bestehen aus einem hochschmelzenden Material, in der Regel Wolfram, das mit einem elektronenemittierenden Material, meist Th02, dotiert ist. Der Anteil des Th02 kann je nach Anwendungszweck in weiten Grenzen (0,1 - 5 Gew.-%) variieren. Beim Betrieb der Lampe wird aufgrund der hohen Temperatur elementares Emittermaterial gebildet, das bevorzugt durch Diffusion entlang der Komgrenzen an die Oberfläche wandert. Dieser Prozeß ist entscheidend für die Qualität der Elektrode und kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflußt werden.
- Durch weitere Dotierungen (z.B. Kalium, Aluminium) kann das Komgefüge zusätzlich so verändert werden, daß die Korngrenzendiffusion weiter erleichtert wird.
- Darüber hinaus ist es bekannt, den Metallkörper mit Kohlenstoff zu dotieren, um die Reduktion des Emittermaterials zu erleichtern. Weiterhin kann auch eine äußere Carbidschicht auf den Metallkörper aufgetragen werden, wobei die hohe Diffusionsrate des Kohlenstoffs ein Eindringen in den Metallkörper sicherstellt (G.H. Gessinger, Ch. Buxbaum, Mater. Sci. Res. 1Q (1975), S. 295 ff.).
- Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt
- Figur 1 eine Xenonkurzbogenlampe
- Figur 2 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Kathode
- In Figur 1 ist schematisch eine mit Gleichstrom betriebene Xenonkurzbogenlampe 1 niedriger Wattstufe (z.B. 150 W) gezeigt, die z.B. als Projektionslichtquelle und in Spektralphotometern und Farbreproduktionsgeräten Verwendung findet. Das elliptische Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas ist mit Xenon (Betriebsdruck ca. 50 bar) gefüllt. Im Entladungsgefäß sind die Anode 3 und die Kathode 4 in einem Abstand von ca. 2 mm zueinander axial angeordnet. Jede Elektrode weist einen Schaft 5 auf. Die elektrische Zuleitung erfolgt in bekannter Weise über Molybdänfolien 6, die über Stifte mit den metallischen Hülsensockeln 7 verbunden sind. Die Molybdänfolien 6 sind vakuumdicht in die beiden Enden des Entladungsgefäßes 2 eingeschmolzen. Statt einer Einschmelzung mit Molybdänfolien kann auch eine andere Tecknik, z.B. Stabeinschmelzung oder Bechereinschmelzung, verwendet werden.
- Die Anode 3 ist als massiver Zylinderblock aus gehämmertem Wolfram gefertigt und weist eine breite, außen leicht angeschrägte Stirnfläche auf.
- Die vergleichsweise kleine Kathode 4 ist aus Wolfram gefertigt, das mit 0,4 Gew.-% Th02 dotiert ist. Sie ist in Figur 2 vergrößert (jedoch nicht maßstäblich) wiedergegeben. Um eine hohe Bogenstabilität - zu sichern, verjüngt sich der zylindrische Grundkörper 8 der Kathode 4 (Durchmesser ca. 2 mm) nach Art eines Kegels 9, dessen Spitze 10 abgestumpft ist. Der Kegel bildet einen Offnungswinkel a von 25° und weist eine Gesamtlänge von etwa 4 mm auf. Der Kegel 9 ist, ausgehend vom Grundkörper 8, auf zwei Drittel seiner Länge von einer Schicht 11 aus Wolframcarbid umgeben. Die Schichtdicke beträgt etwa 10 µm. Zur Spitze 10 hin ist das restliche Drittel der Kegellänge (eine ca. 1,3 mm breite Zone) frei von Carbid gehalten.
- In der gezeigten Konfiguration beträgt die Mindestbreite der freien Zone an der Kathodenspitze 0,7 mm. Diese Mindestbreite ist im wesentlichen durch die Temperaturverteilung an der Kathodenspitze bestimmt. Durch diese freie Zone wird sichergestellt, daß keine Aufschmelzung der Spitze durch die im Vergleich zu Wolfram niedrigere Schmelztemperatur der Wolframcarbidschicht erfolgen kann.
- Die Herstellung der Carbidschicht erfolgt durch Abschiedung von Kohlenstoff aus einem kohlenstoffhaitigen Gas, z.B. CH4 (CVD-Verfahren). Zum Erreichen einer Schichtdicke von 10 µm wird eine Gasdurchfluß von ca. 1 I/min über 10 Minuten bei 2100 °C aufrechterhalten. Die freizuhaltende Zone an der Spitze des Kegels wird dabei durch Vertiefungen im Chargenträger abgedeckt. Bei diesem Verfahren wird auch der zylindrische Körper teilweise mit einer Carbidschicht überzogen. Dies ist für das Wesen der Erfindung jedoch bedeutungslos.
- Während einer Betriebsdauer von 1000 Stunden konnte bei Lampen, die mit diesen Kathoden bestückt waren, die durch die Bogenunruhe bedingte Leuchtdichteschwankung unter 4 % und die im kontinuierlichen Betrieb auftretende Intensitätsdrift unter 1 % pro Std. gehalten werden. Vorzeitige Ausfälle durch Aufschmelzen der Spitze wurden nicht beobachtet.
- Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der gesamte Kegel von einer Carbidschicht überzogen, wobei die Dicke der Schicht von der Basis zur Spitze des Kegels hin kontinuierlich abnimmt. Dies läßt sich durch Tauchverfahren, Pinseln, Sprühen o.ä. erreichen, wobei durch geeignete Maßnahmen (Ablaufen, Ätzen) eine ausreichende Verdünnung zur Spitze hin sichergestellt wird.
- Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispieie beschränkt. Insbesondere kann die Form der Kathode anders gestaltet sein; z.B. kann statt eines Kegels eine Halbkugel o.ä. verwendet werden.
Claims (5)
1. Kathode für eine Hochdruckentladungslampe aus einem hochschmelzenden Metall, das mit einem elektronenemittierenden Material und ggf. weiteren Zusätzen dotiert ist, bestehend aus einem zylindrischen Körper (8), der sich entladungsseitig kegelartig verjüngt, wobei der sich verjüngende Bereich (9) außen mit einer Carbidschicht (11) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Carbidschicht (11) in Richtung zur Spitze (10) des Kegels (9) hin abnimmt.
2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich an der Spitze des Kegels (9) frei von Carbid ist.
3. Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der carbidfreie Bereich an der Spitze des Kegels etwa ein Drittel der gesamten Kegellänge umfaßt.
4. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Carbidschicht in Richtung zur Spitze hin kontinuierlich abnimmt.
5. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzendes Metall Wolfram und als elektronenemittierendes Material Thoriumdioxid verwendet wird.
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